Optická vlákna – páteř · 2018. 2. 23. · č. 1 Čs. čas. fyz. 61 (2011) 7 Použití optických vláken Optická vlákna byla vyvíjena především pro přenos v telekomunikacích.

4 Ve zkratce

http://cscasfyz.fzu.cz

Optická vlákna – páteř moderních komunikací

Ivan Kašík , Pavel PeterkaÚstav fotoniky a elektroniky AV ČR, v.v.i.

Optická vlákna nás obklopují denně na každém kroku, přitom většinou zůstávají skryta našim očím v bludišti kabelových kanálů a sítí. Jsou základním prvkem moderních komunikací a jejich vývoj trval od prvních myšlenek řadu desetiletí. Klíčovou osobností spjatou s tímto vývojem je Charles Kue Kao, kterému byla za celoživotní dílo a průlomové výsledky v této oblasti udělena polovi-

na Nobelovy ceny. V tomto díle rubriky „Ve zkratce“ se pokusíme vysvětlit základní principy a charakteristiky optických vláken.

Ve 

zkra

tce

Optické vlákno Optické vlákno je dielektrická struktura (vlnovod) většinou válcové symetrie, jejíž podélný rozměr je mnohonásob-ně větší než příčný, složená z optického jádra o vyšším indexu lomu a optického obalu o nižším indexu lomu, která pře-náší světlo ve směru své podélné osy.

Historie Počátek historie přenosu světla vlnovody sahá hluboko do  19. století, kdy Daniel Colladon, profesor univerzity v Ženevě, demonstroval na svých přednáškách (1841) ve-dení slunečního světla proudem vody (o  indexu lomu 1,33) vytékajícím ven z nádrže (do vzduchu o indexu lomu ~1). Jeho pokus se stal známým zejména v podání Johna Tyndalla, který ho v roce 1853 demonstroval v Londýně. U nás je dobře známá Křižíkova fontána (obr. 1), vybudovaná již roku 1891na pražském Výstavišti.

Novodobá historie optických vláken je spjata s osobou Charlese Kuena Kaa (obr. 2), který v roce 1966 publikoval v Proc. IEE klíčový článek, ve kterém souhrnně popsal problema-tiku optického přenosu v optických vláknech. Soustředil se na problém optických ztrát a disperze a došel k závěru, že amorfní materiály, zejména křemenné sklo, jsou pro ten-to účel jedinečné. Již tenkrát správně odhadl přípustnou mez optických ztrát na úrovni 20 dB/km (umožňující přenést 1 % navázaného vstupního výkonu na vzdálenost 1 km) a související maximální přípustný obsah nečistot, který u kritických nečistot (např. Fe 3+, OH-, Co 2+) nesmí přesahovat jednotky ppm (tj. desetitisíciny procenta). V té době to byly hodnoty značně vizionářské, ale Kao se svojí úpornou celoživotní snahou přičinil o jejich realizaci. Za celoživotní dílo v této oblasti a za průlomové výsledky (základního) výzkumu přenosu světla ve vláknech byla před rokem Charlesi K. Kaovi udělena polovina Nobelovy ceny za fyziku (viz číslo 1/2010 tohoto časopisu). Společně s trojicí vědců N. G. Basovem, A. M. Prochorovem a C. H. Townesem, kteří ve stejné době položili základy moderním laserům, tak vybudoval fundament moderních komunikací.

Obr. 1 Křižíkova fontána v současnosti

Obr. 2 Charles Kuen Kao – nositel Nobelovy ceny za fyziku. (Foto: National Acad. Of Engineering)

č. 1 Čs. čas. fyz. 61 (2011) 5

http://cscasfyz.fzu.cz

Princip Princip vedení světla v optických vlák-nech je překvapivě jednoduchý – jde v podstatě o využití jevu úplného vnitř-ního odrazu paprsku (angl. total inter-nal reflection) na  rozhraní jádra a  oba-lu. Úplný odraz vyplývá ze známého Snellova zákona, který říká, že poměr sinů úhlu dopadu a  lomu je pro určitá dvě prostředí stálý a rovný poměru ve-likosti indexu lomu (rychlosti vlnění) v jednotlivých prostředích, tj.

2

1

2

1

sinsin

nn

=αα

Šíří-li se paprsek opticky hustším pro-středím pod různými úhly, v  jednom okamžiku nastane situace, kdy úhel lomu (α2) je roven 90° (sin α2 = 1). Takový úhel dopadu α1 nazýváme úhlem mez-ním (kritickým). Překročí-li úhel dopadu tento mezní úhel, dojde k úplnému od-razu paprsku zpět do prostředí opticky hustšího.

Paprsek navázaný do  jádra optické-ho vlákna se tedy šíří z jednoho konce na  druhý na  základě úplného odrazu (obr. 3) na  rozhraní mezi optickým já-drem (o vyšším indexu lomu) a obalem (o nižším indexu lomu).

Obr. 3 a) úplný odraz,

b) šíření světla v optickém vlákně

n1

n2

mezníúhel

lom

totálníodraz

zdroj záření n >n2 1

α2α2

α2α1 α1α1

n > n2 1

optickéjádro (n )2

optickýobal (n )1

600 800 1000 1200 1400 1600 18000,1

1

10okraj IR

absorp níhopásu

okraj UVabsorp ního

pásuRayleigh v

rozptyl

absorpcena ne istotách(OH skupiny)

koef

icie

nt ú

tlum

u,

a [dB

/km

]

vlnová délka, l [nm]

Obr. 4 Rozbor optických ztrát.

Vlastnosti optických vlákenJednou ze základních charakteristik optických vláken je numerická apertura (NA):

θsin)( 22 =−= obaljádro nnNA

Numerická apertura nám říká, jak velký je maximální vstupní (nebo výstupní) úhel paprs-ků (θ), které ještě můžeme do vlákna navázat (nebo které z něj na druhé straně vystupují). Čím větší numerická aperura je, tím více světla z bodového zdroje lze do vlákna soustředit a přenést. Je tedy žádoucí, aby rozdíl indexů lomu mezi optickým jádrem a obalem (viz vzorec) byl co největší. To má však své meze, protože kromě indexu lomu jsou materiály optického jádra a obalu charakterizovány také roztažností a překročením určité meze to-hoto kontrastu dojde k mechanickým defektům (praskání, odloupávání apod.) Pro překo-nání těchto omezení jsou v posledních letech vyvíjeny nové druhy speciálních vláken tzv. mikrostrukturních, kde funkci obalu v co největší míře zastávají vzduchové díry.

Další základní charakteristikou je optický útlum. Ten charakterizuje optické ztráty vlák-na způsobené absorpcí a rozptylem světla při jeho průchodu vláknem:

]/[log10

)( kmdBP

P

L vstupní

výstupní⋅−=λα

Útlum nám říká, jaký podíl navázaného světla na dané vlnové délce projde na druhý konec vlákna. Útlum je závislý na vlnové délce a je to proto, že absorpce i rozptyl, které jsou jeho příčinou, jsou spektrálně závislé.

Záření v každém optickém vlákně podléhá tzv. Raileighovu rozptylu, který vzniká v důsledku interakce tohoto záření s objekty menšími, než je vlnová délka, tj. molekula-mi vlastního materiálu – skla, polymeru apod. Tento rozptyl klesá se čtvrtou mocninou vlnové délky a z podstaty věci jej nelze odstranit. Na spektrální závislosti útlumu vláken (obr. 4) [P. Peterka a V. Matějec: „Optická vlákna se dočkala Nobelovy ceny za fyziku“, Pokroky matematiky, fyziky a astronomie, 55(1):1–11, 2010] se projevuje poklesem útlu-mu směrem do minima v blízké infračervené oblasti. Kromě Raileighova rozptylu každý reálný materiál, tedy i jádro optického vlákna, vykazuje určité nedokonalosti, které jsou příčinou přídavných rozptylových ztrát. Charakter těchto ztrát závisí na velikosti rozpty-lových center a teoreticky ho lze eliminovat.

Kromě rozptylu je optický útlum dále způsobován absorpcí. Ta vzniká v důsledku interakce záření s vlastním materiálem vlákna, případně s jeho nečistotami. V ultrafialové oblasti spektra je záření od určité vlnové délky dále směrem ke kratším vlnovým délkám zcela pohlcováno elektronovými přechody molekul materiálu a hovoříme o krátkovlnné hraně propustnosti (materiálu, vlákna). Podobně je tomu v blízké infračervené oblas-ti, kde je záření pohlcováno vibracemi a rotacemi vazeb molekul materiálu a hovoříme o dlouhovlnné hraně propustnosti. Mezi těmito hranami existuje tzv. okno propustnosti, ve kterém vykazuje materiál minimální absorpci. Vedle toho může být záření absorbo-váno atomy, ionty či molekulami nečistot. Jak zjistil již Ch. K. Kao, stačí jen nepatrné množství nečistot na úrovni desetitisícin procenta, např. OH- skupin, aby optický útlum vzrostl a vlákno se stalo nepoužitelným.

V souvislosti s optickým útlumem křemenných optických vláken hovoříme obvykle o třech tzv. oknech propustnosti okolo 850, 1 300 a 1 550 nm, ve kterých jsou primárně provozovány optické komunikace.

K dalšímu čtení

o optických vláknech

doporučujeme:

B. E. A. Saleh, M. C. Teich: Fundamentals

of photonics. J. Wiley & Sons, NY (český překlad

Základy fotoniky vydal MATFYZPRESS, Praha

1994–96).

6 Ve zkratce

http://cscasfyz.fzu.cz

Příprava optických vlákenPříprava optických vláken je vel-kým technologickým úkolem, jehož zvládnutí trvalo lidstvu od  prvních Tyndallových pokusů více než jedno století. Odehrává se ve  dvou krocích – přípravě tzv. preformy a  vlastním tažením vlákna.

Preforma je skleněná tyčka – polotovar pro tažení vlákna. Z důvodu požadova-ného malého útlumu musí být vyrobe-na z velmi čistého materiálu a z důvodu požadavků na  disperzi musí mít zcela přesnou strukturu. Ani jeden z  těch-to požadavků nelze splnit klasickými sklářskými technologiemi. Proto se používají postupy tzv. CVD (Chemical Vapor Deposition) – depozice z plynné fáze (viz obr. 7). Znamená to vlastně přípravu skla spalováním par výchozích látek (SiCl4). Plyny/páry nebo výchozí kapaliny lze totiž velmi dobře čistit de-stilací a  dosáhnout tak požadovaných parametrů. Navíc se takto sklo připra-vuje po jednotlivých tenkých vrstvách, čímž lze získat požadované struktury v podobě jemných profilů indexu lomu.

Hotová preforma (obr. 8) se v druhém kroku zavěsí do pece tažičky optických

Další důležitou charakteristikou je disperze. Ta nám říká, nakolik se původně ostrý pulz navázaný na začátku vlákna rozšíří při průchodu vláknem. Je to důležitá informace - po-kud bychom posílali optické pulzy příliš krátce za sebou, díky disperzi (rozšíření) by se po uražení určité vzdálenosti postupně vzájemně prostoupily a namísto oddělených signálů (bitů) by na konci komunikační linky byl detekován pouze šum. Chceme-li po-pisovat disperzi, nevystačíme si již s představou paprskové optiky, ale musíme trochu nahlédnout do tajů vlnovodné optiky. Ta popisuje šíření světla jakožto elektromagne-tického vlnění pomocí Maxwellových rovnic. Každý vid je charakterizován konstantou šíření a příčným rozložením pole, které je pro první tři vidy patrné na obr. 5 (kružnicí je vyznačeno rozhraní jádra a pláště).

Šíří-li se jádrem vlákna více vidů, hovoříme o struktuře vlákna mnohavidového. Takové vlákno má jádro o velkém průměru (~ 50–1 000 um (μm???)) a šíření světla si velmi hrubě můžeme představit pomocí paprsků, tak jak to byl popisováno v úvodní části. Šíří-li se v jádře vlákna jeden jediný vid, hovoříme o struktuře vlákna jednovidového. Takové vlákno má jádro o malém průměru blízkém vlnové délce používaného záření (~ 3–8 um (μm?)) a v takovém případě již s představami paprskové optiky nevystačíme.

Je-li vlákno mnohavidové, může se šířit v jeho jádře až tisíce vidů. Jejich optická drá-ha je různě dlouhá – můžeme si ji pomocí paprsků představit jako odraz od rozhraní jádro/plášť pod různým úhlem. Delší dráha při stejné rychlosti (konstantě šíření) nut-ně vede k situaci, že některé paprsky dorážejí na druhý konec vlákna rychleji a některé pomaleji. Jevu říkáme mezividová disperze, která je příčinou deformace vstupních pulzů. Mezividovou disperzi lze snížit „zrychlením“ paprsků, které se šíří v blízkosti pláš-tě u mnohavidových vláken s parabolickým profilem indexu lomu, viz obr. 6. V jedno-vidových vláknech se šíří jediný vid, a proto se vliv mezividové disperze neuplatňuje. Uplatňuje se však vliv disperze chromatické. Chromatická disperze je dána jednak dis-perzí materiálovou, způsobenou závislostí indexu lomu materiálu na vlnové délce záření, jednak disperzí vlnovodovou, která závisí na tvaru profilu indexu lomu optického vlákna – vlnovodu. Chromatickou disperzi proto lze částečně kompenzovat vhodným návrhem profilu indexu lomu. Příklady různých profilů indexu lomu můžeme vidět na obr. 6.

LP21

LP01 LP11

Obr. 5 Rozložení vidového pole.

Obr. 6 Profi ly indexu lomu

nejběžnějších druhů optických vláken

(polymer-clad-silica, mnohavidové

gradientní, jednovidové),

popis šíření světla v těchto vláknech

a deformace vstupních pulzů vlivem disperze

a útlumu.

Obr. 7 Zařízení MCVD na přípravu preforem. Obr. 8 Preforma přecházející do optického vlákna při tažení.

č. 1 Čs. čas. fyz. 61 (2011) 7

http://cscasfyz.fzu.cz

Použití optických vlákenOptická vlákna byla vyvíjena především pro přenos v  telekomunikacích. Je to proto, že zkrácení vlnové délky (λ) nos-ného vlnění (záření) nutně vede podle známého vzorce λ = c/ν (c – rychlost světla) k významnému zvýšení pracovní frekvence ν, a tedy i ke zvýšení kapacity přenosu (vyjádřeno v bit/s) vůči radioko-munikacím. Porovnejme např. frekvenci sítí Wi-Fi (cca 2,5 GHz) a telekomunikač-ního laseru na vlnové délce 1,55 mikronu (200 THz). Světlo nabízí potenciálně než 10 000krát větší přenosovou kapacitu!

Dnes si život bez optických vláken před-stavíme jen těžko. I když je běžně často nevidíme, protože kabely jsou obvykle uloženy v zemi nebo nějakém jiném ob-ložení, naše data se po nich rozběhnou při prvním stisknutí klávesy počítače, při prvním výběru peněz z bankomatu nebo pošty, nákupu jízdenky na  vlak a  dokonce i  při telefonování mobilem. Dokonce už i  nové televizní přijímače běžné ceny dnes mají jeden ze vstupů upravený pro optické vlákno pro případ, že za pár let vlákna běžně dosáhnou až do našich domovů (sítě FTTH – Fiber To The Home). Představu takových komu-nikací představil Bill Gates před několi-ka lety v Praze. Podle ní bude mít každý člen domácnosti vlastní počítač nebo notebook, připojený do  domácí sítě bezdrátovým připojením (Wi-Fi), k  síti bude též připojena televize a  domácí kino, všechny žádosti a formuláře se bu-dou vyřizovat přes web, důchody nebo poplatky v bance a na poště se budou vyřizovat výhradně kartou přes síťovou

4 4

4 4

přístupovásíť

přístupovásíť

domácísíť

domácísíť

přenosovásíť

zesilovač(EDFA)

zesilovač(EDFA)

čtečku, síť senzorů bude obsluhovat vy-tápění a rodinná data (fotografie, filmy) se budou periodicky zálohovat na  sí-ťová zálohovací média. Telefon, který byl u počátku tohoto dění a který dnes představuje jen 10 % přenášených dat, bude samozřejmě přenášen také touto sítí (VoiP). Jestliže uvnitř domácnosti sta-čí každému uživateli pomalejší Wi-Fi při-pojení, z domácnosti již budou odcházet (přicházet) třeba po metalické síti větší balíky dat (obr. 10). A když se „prameny“ datových toků z  různých domácností (třeba velkého paneláku) spojí do  jed-noho velkého proudu a  začnou opou-štět tuto přístupovou síť, nastává situa-ce, kdy je nutné zvýšit kvalitu připojení (obr. 11), tj. podstatně zvýšit jeho rych-lost směrem k rychlostem používaným na páteřních sítích. Podíváme-li se po-zorně okolo sebe, uvidíme, že Gatesova představa nebyla nijak nerealistická.

Tím, jak se přenáší digitálních dat stále více, je potřeba hledat cesty pro další zvyšování kapacity sítě. Jsou rozvíjeny přístupy multiplexování v časové nebo spektrální oblasti (TDM a WDM) a celo-optického zpracování informace, které vyžadují stále nové typy optických vlá-ken a vláknových komponent (viz loň-ské číslo 4–5 tohoto časopisu). Kromě toho jsou dnes optická vlákna stále častěji využívána pro vláknově-optic-ké senzory monitorující technologické procesy, parametry životního prostředí nebo procesy v lidském těle. V poslední dekádě se rychle rozvíjejí vláknové lase-ry, které v mnoha aplikacích začínají na-hrazovat konvenční pevnolátkové lase-ry. Kontinuální vláknové lasery dosahují

vláken (obr. 9) a po rozehřátí na 2 000 °C z ní odkápne kapka, která za sebou táhne tenké vlákno. To je uchopeno do  navíjecího zařízení, které musí být v rychlé zpětné vazbě s bezkontaktním měřením jeho průměru. Tím je zajištěna stabilita průměru vlákna, která je důle-žitá pro další zpracování a použití. Aby se zabránilo křehnutí vlákna a zajistila jeho ohebnost, musí být na  skleněný povrch kontinuálně nanášena vrstva polymeru, která chrání skleněnou část vlákna před vlhkostí a vnějšími mecha-nickými vlivy.

Přípravě optických vláken bylo věnová-no zvláštní číslo časopisu Jemná mecha-nika a optika 1/2010, optickým vláknům a vláknovým laserům čísla 1 a 4–5/2010 Československého časopisu pro fyziku.

Obr. 9 Tažička optických vláken.

Obr. 11 Laboratorní měřicí pracoviště pro optický přenos signálů 10 × 10 Gbit/s na 383 km optického

vlákna navinutého na cívkách.

výkonu až 10 kW v kvalitním, difrakčně limitovaném svazku. V  současnosti je vysoce aktuální výzkum metod kohe-rentního slučování jednotlivých svazků, díky němuž se očekává možnost kon-tinuálně generovat záření s  výkonem řádu stovek kW. Ale to už je jiná kapitola.

Obr. 10 Použití optických vláken v komunikacích.